Johdanto
Materiaalien ominaisuuksien tarkka analysointi on olennaisen tärkeää suorituskyvyn ja laadun optimoimiseksi teollisuudessa ja tutkimuksessa. Kinexus-reometrian ja dielektrisen analyysin (DEA) yhdistämisen ansiosta mekaanista ja sähköistä käyttäytymistä voidaan arvioida samanaikaisesti yhden kokeellisen kehyksen puitteissa. Näiden toisiaan täydentävien tekniikoiden yhdistelmä tarjoaa syvällisemmän käsityksen monimutkaisista materiaaleista, kuten polymeereistä, komposiiteista ja kovettumisjärjestelmistä. Tämä lähestymistapa mahdollistaa viskoelastisten ominaisuuksien ja dielektristen vasteiden kattavan ymmärtämisen ja tuottaa arvokasta tietoa prosessikehitykseen, laadunvalvontaan ja edistyneeseen materiaalitutkimukseen.
Mittausperiaate: pyörivä reometria
Pyörivällä reometrialla määritetään materiaalin viskoelastiset ominaisuudet mittaamalla sen reaktiota sille kohdistettuun muodonmuutokseen kontrolloiduissa olosuhteissa. Tyypillisessä värähtelykokeessa näyte sijoitetaan kahden geometrisuuden väliin – yleensä rinnakkaisten levyjen tai kartio- ja levyjärjestelmän väliin. Toinen levy värähtelee, kun taas toinen pysyy paikallaan (ks. kuva 1), jolloin näytteeseen kohdistuu leikkausvoima.
Kohdistetaan säädetty kulmasiirtymä tai vääntömomentti, jolloin syntyy leikkausmuodonmuutos γ(t):
Materiaalit, joiden leikkausjännitys on mitattavissa:
Tässäγ₀ on venymän amplitudi, ω on kulmataajuus, τ₀ on jännityksen amplitudi ja δ on vaiheviive sovelletun venymän ja mitatun jännityksen välillä. Tämä vaiheviive heijastaa materiaalin viskoelastisia ominaisuuksia.
Tärkeimpiä reologisia parametreja ovat elastinen leikkausmoduuli (G´), viskoosinen leikkausmoduuli (G´´) ja kompleksinen viskositeetti (η*). Nämä johdetaan mitatuista jännitys- ja venymävasteista ja ne kuvaavat materiaalin rakennetta.
Kun materiaaliin tapahtuu muutoksia (kuten Kovettuminen (ristisilloitusreaktiot)Kirjaimellisesti käännettynä termi "crosslinking" tarkoittaa "ristiverkostoitumista". Kemiallisessa yhteydessä sitä käytetään reaktioista, joissa molekyylit yhdistetään toisiinsa kovalenttisilla sidoksilla ja muodostetaan kolmiulotteisia verkkoja.kovettuminen), sen kyky vastustaa muodonmuutoksia muuttuu. Polymeeriverkoston muodostuminen lisää jäykkyyttä ja muuttaa viskoosisen leikkausmoduulin G´´ ja elastisen leikkausmoduulin G´ välistä suhdetta.
Mittausperiaate: Dielektrinen analyysi
Dielektrisen analyysin (DEA) avulla seurataan materiaalin dielektristen ominaisuuksien muutoksia hallitun aika- ja lämpötilaohjelman aikana. Tyypillisessä DEA-kokeessa näyte sijoitetaan kahden elektrodin väliin – joko yhdensuuntaisten levyjen tai toisiinsa kietoutuneiden kammioanturien väliin (ks. kuva 2).
Kytketään sinimuotoinen jännite:
Materiaali reagoi sähkövirtaan seuraavasti:
Materiaalin sisältämät epäpuhtaudet tuottavat varauksenkuljettajia, jotka liikkuvat kohti elektrodeja, kun taas dipolirakenteiset molekyylit (kuten monomeerit tai oligomeerit) suuntautuvat sähkökentän mukaisesti. Tämä ilmiö aiheuttaa mitatun virran.
Kovettumisen edetessä muodostuu kolmiulotteinen polymeeriverkosto, joka vähentää ionien liikkuvuutta ja rajoittaa dipolien kykyä suuntautua uudelleen. Tämä rajoittaa varauksenkuljettajien liikkumista ja dipolien siirtymistä. Mittauksesta johdettu avainparametri on ionijohtavuus, σ. Tämä ionijohtavuus riippuu vapaiden varauksenkuljettajien liikkuvuudesta ja dipolien uudelleen suuntautumisessa haihtuvasta energiasta. Ioniviskositeetti, ρ, määritellään seuraavasti:
Kovettumisen edetessä laajeneva polymeeriverkosto heikentää ionien johtavuutta. Tämä vastaa ionien viskositeetin kasvua.
Mittausolosuhteet
Yhdistetty mittaus suoritettiin käyttämällä rinnakkaislevyreometriaa (halkaisija: 8 mm) ja dielektristä analyysiä (DEA) UHU Plus Endfest 300 -liimalla (epoksiliima) vakiolämpötilassa 60 °C. Reometriä käytettiin 1 %:n elastisella leikkausvenymällä ja 1 Hz:n taajuudella. Normaalivoima, leikkausmoduuli (G´), viskoosinen leikkausmoduuli (G´´) ja kompleksinen leikkausviskositeetti (η*) mitattiin ajan funktiona. DEA-mittaus suoritettiin samanaikaisesti käyttäen 100 mHz:n, 10 Hz:n, 100 Hz:n ja 1 kHz:n herätetaajuuksia, ja mittauksessa seurattiin log(viskositeetti) -arvoa ohm·cm-yksiköissä ajan funktiona.
Mittaustulokset
Reologinen mittaus osoittaa epoksiliiman tyypillisen ajasta riippuvan kovettumisprofiilin 60 °C:ssa (kuva 3). Aluksi viskoosinen leikkausmoduuli G´´ on suurempi kuin elastinen leikkausmoduuli G´, mikä viittaa nestemäiseen tilaan käytetyissä koeolosuhteissa. Kovettumisen edetessä molemmat signaalit kasvavat, ja G´ ylittää G´´:n 57 °C:ssa, mikä heijastaa siirtymistä nestemäisestä tilasta geelimäiseen ja lopulta kiinteään verkostoon. Tämä G´/G´´-RisteyskohtaReologisissa testeissä, kuten taajuuspyyhkäisyssä tai aika/lämpötilapyyhkäisyssä, risteyskohta on kätevä vertailupiste, joka osoittaa näytteen "siirtymäkohdan".risteyskohta vastaa geelipistettä käytetyn taajuuden (1 Hz) aikaskaalalla.
Kuvassa 4 esitetään kompleksisen leikkausviskositeetin (reometri) kehitys yhdessä ioniviskositeetin (DEA) kanssa. Kaikilla taajuuksilla mitattu ioniviskositeetin kasvu viittaa dipolien ja ionien liikkuvuuden vähenemiseen silloituksen lisääntyessä. Tasainen vaihe osoittaa kovettumisprosessin päättymisen. Mitä korkeampi taajuus on, sitä nopeammin tasainen vaihe saavutetaan. Alhaisemmilla taajuuksilla, kuten 100 mHz:llä, signaali ei saavuta tasaisempaa vaihetta mittauksen loppuun mennessä, mikä viittaa siihen, että reaktio ei ole vielä päättynyt. Signaalien taajuusriippuvuus heijastaa niiden erilaista herkkyyttä nopeille ja hitaille segmenttiliikkeille.
Yhdistelmäanalyysin tärkeä näkökohta on näiden kahden menetelmän toisiaan täydentävä herkkyys. Vaikka reologiset tiedot antavat luotettavaa tietoa verkoston muodostumisesta ja mekaanisista siirtymistä, reometria menettää informatiivisuuttaan, kun näyte on muuttunut erittäin jäykäksi: mekaaniset tiedot tasoittuvat, koska verkoston jatkokehitystä ei voida havaita makroskooppisen muodonmuutoksen kautta. Sen sijaan dielektrinen analyysi (DEA) säilyttää korkean herkkyytensä jatkuvalle molekyylidynamiikalle ja ionien liikkuvuuden muutoksille, jopa sen jälkeen kun näyte on muuttunut liian jäykäksi mekaanista muodonmuutosta varten. Tätä havainnollistaa 100 mHz:n DEA-käyrä, joka jatkaa kehittymistään ja osoittaa reaktion jatkuvan silloinkin, kun reologinen käyrä on saavuttanut tasaisen vaiheen. Näin ollen DEA tarjoaa arvokasta lisätietoa kovettumisen myöhemmistä vaiheista ja varmistaa kattavamman kuvan reaktion etenemisestä.
Johtopäätös
Tämä sovellus osoittaa, miten hyödyllistä on yhdistää reometria ja DEA epoksin kovettumisen seurannassa. NETZSCH -järjestelmä tuottaa samanaikaisesti mekaanisia ja dielektrisiä mittaustietoja, minkä ansiosta käyttäjät voivat seurata sekä makroskooppisia että molekyylitason muutoksia koko prosessin ajan. Reometria soveltuu erinomaisesti mekaanisten siirtymien ja geelipisteen tunnistamiseen, kun taas DEA tarjoaa yksityiskohtaista tietoa reaktion etenemisestä myös sen jälkeen, kun näyte on muuttunut liian jäykäksi mekaanisen mittauksen jatkamiseksi. Näin ollen DEA tarjoaa ainutlaatuista lisäarvoa varmistamalla käynnissä olevan kovettumisen täydellisen seurannan, tukemalla prosessin optimointia ja takaamalla korkealaatuiset, täysin kovettuneet tuotteet.